生產(chǎn)陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的工藝和由此形成的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的制作方法
【專利摘要】一種用于生產(chǎn)CMC物品(10)的工藝，其包括減少物品內(nèi)的孔隙和空隙的存在。工藝在多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件上執(zhí)行，其包括纖維增強(qiáng)材料(14)和陶瓷基質(zhì)材料(18)，并且通過加熱預(yù)制件和填充材料，以熔化填充材料，并通過產(chǎn)生真空，其造成熔化的填充材料滲透并部分地填充預(yù)制件內(nèi)的空隙，預(yù)制件致密。當(dāng)填充材料在空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，預(yù)制件和填充材料經(jīng)受增加的壓力，以進(jìn)一步利用熔化的填充材料填充空隙。之后，并且在預(yù)制件和其中的熔化的填充材料保持經(jīng)受增加的壓力時(shí)，預(yù)制件和填充材料冷卻成使填充材料在空隙內(nèi)固化并產(chǎn)出CMC物品。
【專利說明】
生產(chǎn)陶瓷基質(zhì)復(fù)合物的工藝和由此形成的陶瓷基質(zhì)復(fù)合物
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明大體上涉及陶瓷基質(zhì)復(fù)合物(CMC)物品和其生產(chǎn)工藝。更具體地說，本發(fā)明針對(duì)一種生產(chǎn)CMC物品的工藝，其包括能夠產(chǎn)出CMC物品的處理步驟，該CMC物品在升高溫度下展現(xiàn)合乎需要的物理、機(jī)械和/或顯微結(jié)構(gòu)的特性?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]對(duì)于渦輪機(jī)(作為非限制性示例，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī))，為了提高它們的效率而持續(xù)地尋求較高的操作溫度。CMC材料已經(jīng)引起特別的興趣，因?yàn)樗鼈兊母邷啬芰娠@著地減少冷卻空氣要求。CMC材料大體上包括嵌入在陶瓷基質(zhì)材料中的陶瓷纖維增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料可為散布在基質(zhì)材料中的間斷的短纖維，或定向在基質(zhì)材料內(nèi)的連續(xù)纖維或纖維束，并且用作CMC的負(fù)載承載組分。進(jìn)而，陶瓷基質(zhì)保護(hù)增強(qiáng)材料，保持其纖維的定向，并且用于將負(fù)載耗散至增強(qiáng)材料。單獨(dú)的纖維(細(xì)絲)經(jīng)常涂覆有脫離劑，如氮化硼(BN)，以形成脫黏層， 其允許在纖維和陶瓷基質(zhì)材料之間的有限且受控的滑動(dòng)。
[0003]連續(xù)的纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合物(CFCC)是一種類型的CMC，其為各種高溫負(fù)載承載應(yīng)用提供了輕的重量、高的強(qiáng)度和高的剛度，包括護(hù)罩、燃燒器襯套、輪葉、葉片，以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它高溫構(gòu)件。CFCC材料的特征大體上在于可布置成形成單向的纖維矩陣的連續(xù)纖維(細(xì)絲)，或布置成形成單向的落纖矩陣的落纖束，或落纖束，該落纖束編織成形成二維織物，或者編織或編結(jié)成形成三維織物。對(duì)于三維織物，成組的單向落纖例如可彼此橫向交織。對(duì)高溫應(yīng)用的特別的興趣是基于硅的復(fù)合物，如碳化硅(SiC)作為基質(zhì)和/或增強(qiáng)材料。SiC纖維已經(jīng)用作增強(qiáng)材料，用于各種其它陶瓷基質(zhì)材料，包括碳化鈦(TiC)、氮化硅 (Si3N4)和氧化鋁(Al2〇3)。
[0004]在美國專利 N〇.5,015,540、5,330,854、5,336,350、5,628,938、6,024,898、6,258, 737、6,403,158和6,503,441以及美國專利申請(qǐng)公開N0.2004/0067316中公開了CMC材料和具體是SiC/SiC-SiC(纖維/基質(zhì))連續(xù)纖維增強(qiáng)型陶瓷復(fù)合物(CFCC)材料和工藝的示例，其內(nèi)容通過引用并入本文中。一種這樣的工藝被稱為“預(yù)浸料還”熔化滲透(MI)，其總地說來需要使用多層預(yù)浸料坯制造CMC，各層呈帶狀結(jié)構(gòu)的形式，包括期望的陶瓷纖維增強(qiáng)材料、 一種或更多種CMC基質(zhì)材料的前體、黏結(jié)劑以及其它可能的成分。根據(jù)常規(guī)的實(shí)踐，預(yù)浸料坯可通過利用漿料浸漬增強(qiáng)材料來形成，該漿料包含(多個(gè))陶瓷前體和黏結(jié)劑，促進(jìn)了預(yù)浸料坯的柔韌性。用于前體的優(yōu)選材料將取決于CMC構(gòu)件的陶瓷基質(zhì)所需要的具體成分，例如SiC粉末和/或一種或更多種含碳材料，其最終在與熔化的Si反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)變成SiC。其它典型的漿料成分包括用于黏結(jié)劑的溶劑，其促進(jìn)了漿料的流動(dòng)性，以實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)材料的浸漬。
[0005]在允許漿料部分地干燥，并且如果合適的話，使黏結(jié)劑部分地硬化(B-階段)之后， 所得的預(yù)浸料坯與其它帶疊放在一起，并且接著壓實(shí)，并且如果合適的話，在經(jīng)受升高的壓力和溫度時(shí)硬化，以生產(chǎn)預(yù)制件。接著，預(yù)制件在真空或惰性氣氛中加熱(點(diǎn)燃)，以分解黏結(jié)劑，除去溶劑，并將前體轉(zhuǎn)變成期望的陶瓷基質(zhì)材料。由于黏結(jié)劑的分解，結(jié)果是多孔的 CMC預(yù)制件，其后面將在真空下經(jīng)歷熔化滲透(MI)，以填充孔隙并產(chǎn)出CMC構(gòu)件。例如，用于生產(chǎn)SiC基質(zhì)的熔化滲透工藝大體上需要利用從預(yù)制件的外部供應(yīng)的熔化的硅滲透多孔的 CMC預(yù)制件。熔化的硅滲透到孔隙中，并且優(yōu)選與基質(zhì)內(nèi)的組分(例如，碳源)反應(yīng)，以形成基于硅的陶瓷(例如，碳化硅)，其填充孔隙，以產(chǎn)出期望的CMC構(gòu)件。用于上面工藝的具體的處理技術(shù)和參數(shù)將取決于特別的材料成分。
[0006]CFCC材料10的示例在圖1中示意性地描繪為包括多個(gè)薄片12,各個(gè)薄片均源自于單獨(dú)的預(yù)浸料坯，其包括利用陶瓷基質(zhì)前體浸漬的單向?qū)?zhǔn)的增強(qiáng)材料14。結(jié)果，各個(gè)薄片 12包含包封在陶瓷基質(zhì)18中的增強(qiáng)材料14，其在點(diǎn)燃和熔化滲透期間完全或部分地通過陶瓷基質(zhì)前體的轉(zhuǎn)換形成。如果通過需要利用熔化的硅滲透多孔CMC預(yù)制件的熔化滲透工藝來生產(chǎn)，則CFCC材料10還可包含元素硅和/或硅合金(其如在本文中使用地指的是不呈化合物形式的硅，而可為純凈的硅，或呈具有其它金屬的硅合金的形式，如硼)。
[0007]除了由于黏結(jié)劑的分解而引起的孔隙之外，CMC預(yù)制件還可包含層片間隙和/或不太壓實(shí)的區(qū)域。在熔化滲透期間，這些缺陷限定了可不完全填充有熔化的硅的空隙。CMC物品內(nèi)的任何剩余的孔隙或空隙可影響其機(jī)械性能。因此，正在努力進(jìn)一步減少CMC物品內(nèi)的孔隙和空隙的存在。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種用于生產(chǎn)CMC物品的工藝，其包括用以減少物品內(nèi)的孔隙和空隙的存在的處理步驟。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種工藝，其需要生產(chǎn)包括漿料和纖維增強(qiáng)材料的單向預(yù)浸料坯，將預(yù)浸料坯，也被稱為帶堆疊成形成預(yù)制件，點(diǎn)燃預(yù)制件以產(chǎn)出多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，其包括纖維增強(qiáng)材料、陶瓷基質(zhì)材料以及多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的空隙，并且接著使多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件致密。致密化最初通過在真空中加熱多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和填充材料來執(zhí)行，以熔化填充材料，并因此產(chǎn)出熔化的填充材料，其對(duì)于填充多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件的空隙是期望的，但在真空作用下僅部分地填充空隙。當(dāng)熔化的填充材料在空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的熔化的填充材料經(jīng)受增加的壓力，以利用熔化的填充材料進(jìn)一步填充空隙。之后，并且在多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的熔化的填充材料保持經(jīng)受增加的壓力時(shí)，多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的熔化的填充材料冷卻成使熔化的填充材料在空隙內(nèi)固化，并產(chǎn)出CMC物品，其包括纖維增強(qiáng)材料、陶瓷基質(zhì)材料和空隙內(nèi)的填充材料。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的某些優(yōu)選方面，工藝可執(zhí)行成生產(chǎn)包括含硅的陶瓷基質(zhì)材料的渦輪機(jī)構(gòu)件。
[0011]技術(shù)方案1.一種用于生產(chǎn)CMC物品的工藝，所述工藝包括:生產(chǎn)單向的預(yù)浸料坯，其包括漿料和纖維增強(qiáng)材料；將所述預(yù)浸料坯堆疊成形成預(yù)制件；點(diǎn)燃所述預(yù)制件，以產(chǎn)出多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，其包括所述纖維增強(qiáng)材料、陶瓷基質(zhì)材料和所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的空隙;并且接著通過以下使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件致密:加熱所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和填充材料，以熔化所述填充材料，并且從而產(chǎn)出熔化的填充材料，并且在所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件的空隙內(nèi)產(chǎn)生真空，以造成所述熔化的填充材料滲透所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，并且利用所述熔化的填充材料部分地填充所述空隙； 當(dāng)所述熔化的填充材料在所述空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料經(jīng)受增加的壓力，以利用所述熔化的填充材料進(jìn)一步填充所述空隙；以及接著當(dāng)所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料保持經(jīng)受所述增加的壓力時(shí)，對(duì)所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料進(jìn)行冷卻，以使所述熔化的填充材料在所述空隙內(nèi)固化，并且產(chǎn)出CMC物品，其包括所述纖維增強(qiáng)材料、所述陶瓷基質(zhì)材料和所述空隙內(nèi)的所述填充材料。
[0012]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案1所述的工藝，其特征在于，所述漿料包括一種或更多種有機(jī)黏結(jié)劑，其在所述點(diǎn)燃步驟期間熱分解，以形成所述空隙中的至少一些。
[0013]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案1或2所述的工藝，其特征在于，所述空隙中的至少一些包括在所述預(yù)浸料坯之間的層片間隙，所述預(yù)浸料坯形成了所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件。
[0014]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案1至3中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述空隙中的至少一些包括所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的不完全壓實(shí)區(qū)域。
[0015]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案1至4中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和所述熔化的填充材料所經(jīng)受的增加的壓力利用氮?dú)馐┘印?br>[0016]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案1至5中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述增加的壓力是大約一個(gè)大氣壓。
[0017]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案1至6中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述填充材料為元素硅和低熔點(diǎn)的硅合金中的至少一種。
[0018]技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案1至7中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述CMC物品是含娃的CMC物品。
[0019]技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案1至8中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)材料包括碳化硅。
[0020]技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)方案1至9中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述陶瓷基質(zhì)材料包括碳化娃。
[0021]技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案1至10中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述CMC 物品是渦輪機(jī)的構(gòu)件。
[0022]技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的工藝，其特征在于，還包括將所述構(gòu)件安裝在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。
[0023]技術(shù)方案13.—種用于生產(chǎn)渦輪機(jī)構(gòu)件的工藝，所述工藝包括:生產(chǎn)單向的預(yù)浸料坯，其包括纖維增強(qiáng)材料和漿料，所述漿料包含黏結(jié)劑和陶瓷前體； 將所述預(yù)浸料坯堆疊成形成預(yù)制件；點(diǎn)燃所述預(yù)制件，以產(chǎn)出多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，其包括所述纖維增強(qiáng)材料、含硅的陶瓷基質(zhì)材料和所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的空隙，所述黏結(jié)劑熱分解成形成所述空隙中的至少一些;并且接著通過以下使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件致密:加熱所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和含硅的填充材料，以熔化所述填充材料，并從而產(chǎn)出熔化的填充材料，并在所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件的空隙內(nèi)產(chǎn)生真空，以造成所述熔化的填充材料滲透所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，并利用所述熔化的填充材料部分地填充所述空隙； 當(dāng)所述熔化的填充材料在所述空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料經(jīng)受增加的壓力，以利用所述熔化的填充材料進(jìn)一步填充所述空隙;并且接著在所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料保持經(jīng)受所述增加的壓力時(shí)，將所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料冷卻成使所述熔化的填充材料在所述空隙內(nèi)固化，并產(chǎn)出渦輪機(jī)構(gòu)件，其包括所述纖維增強(qiáng)材料、所述陶瓷基質(zhì)材料以及所述空隙內(nèi)的所述填充材料。
[0024]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述空隙中的至少一些包括在所述預(yù)制件之間的層片間隙、或所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的不完全壓實(shí)的區(qū)域， 所述預(yù)制件形成了所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件。
[0025]技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和所述熔化的填充材料所經(jīng)受的所述增加的壓力利用氮?dú)馐┘印?br>[0026]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述增加的壓力為大約一個(gè)大氣壓。
[0027]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述填充材料為元素硅和低熔點(diǎn)的硅合金中的至少一種。
[0028]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)材料包括碳化娃。
[0029]技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，所述陶瓷基質(zhì)材料包括碳化娃。
[0030]技術(shù)方案20.根據(jù)技術(shù)方案13所述的工藝，其特征在于，還包括將所述構(gòu)件安裝在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。
[0031]本發(fā)明的技術(shù)效果在于生產(chǎn)CMC物品的能力，其具有降低的水平的孔隙和空隙，典型地對(duì)應(yīng)于改進(jìn)的物品特性，例如對(duì)于升高的溫度而言合乎需要的物理、機(jī)械和顯微結(jié)構(gòu)的特性。
[0032]本發(fā)明的其它的方面和優(yōu)點(diǎn)將從以下詳細(xì)描述更好地認(rèn)識(shí)到?！靖綀D說明】[〇〇33]圖1示意性地表示了 CFCC物品的局部橫截面圖。[〇〇34]圖2示意性地顯示了一種用于生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)預(yù)制件的類型的穿孔層片，該實(shí)驗(yàn)預(yù)制件具有受控的空隙并且在導(dǎo)致本發(fā)明的研究中使用。[〇〇35]圖3和圖4顯示了兩個(gè)掃描圖像，其證明了進(jìn)入利用圖2中所示類型的穿孔層片生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)預(yù)制件中的不同的硅滲透水平?！揪唧w實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明將根據(jù)用于生產(chǎn)CMC物品的工藝描述，該CMC物品包括CFCC物品，其可在升高溫度，例如渦輪機(jī)的渦輪和燃燒器區(qū)段內(nèi)的溫度下使用。本發(fā)明特別感興趣的CMC材料是包含硅的那些，包括包含碳化硅作為增強(qiáng)材料和/或基質(zhì)材料的CMC，其特別但非限制性的示例是碳化硅基質(zhì)中的連續(xù)的碳化硅纖維。然而，其它含硅材料也在本發(fā)明的范圍內(nèi)，包括陶瓷，如氮化硅和硅化物(金屬間化合物)，如硅化鈮和硅化鉬，它們是其它類型的陶瓷材料。雖然各種應(yīng)用是可預(yù)見的，但是用于CMC物品的特別應(yīng)用包括燃?xì)鉁u輪的構(gòu)件，如護(hù)罩、 燃燒器襯套、輪葉、葉片以及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其它高溫構(gòu)件。
[0037]以下關(guān)于本發(fā)明的CMC物品的論述將參照?qǐng)D1，其如之前提到地表示了 CFCC構(gòu)件 10。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本教導(dǎo)不限于CFCC構(gòu)件或圖1中所示的橫截面特征。如之前論述的，構(gòu)件10包括多個(gè)薄片12,其均源自于單獨(dú)的預(yù)浸料坯，其最初包括利用一個(gè)或更多個(gè)陶瓷基質(zhì)前體浸漬的單向?qū)?zhǔn)的落纖14。前體典型地作為漿料成分來引入，其還可包括一種或更多種黏結(jié)劑、溶劑以及其它可能的組分。由于通過堆疊(疊放)多個(gè)預(yù)浸料坯形成的層壓預(yù)制件經(jīng)過壓實(shí)、硬化(如果合適的話)和點(diǎn)燃，故各個(gè)薄片12包含包封在陶瓷基質(zhì)18中的單向?qū)?zhǔn)的纖維16,陶瓷基質(zhì)18在層壓預(yù)制件的點(diǎn)燃期間至少部分地通過前體的轉(zhuǎn)變而形成。所得的點(diǎn)燃的預(yù)制件將經(jīng)常包含孔隙，其在層壓預(yù)制件的點(diǎn)燃期間從黏結(jié)劑的分解演化。備選地或附加地，點(diǎn)燃的預(yù)制件可包含空隙，例如，層片間隙和/或不太壓實(shí)的區(qū)域，其可不利地影響構(gòu)件10和其機(jī)械性能。然而在真空下的熔化滲透(MI)通常用于填充孔隙和空隙，本發(fā)明的特別方面是執(zhí)行進(jìn)一步的處理步驟，以進(jìn)一步減少最終構(gòu)件10內(nèi)的孔隙。 [〇〇38]在各個(gè)薄片12內(nèi)，合適的纖維直徑、落纖直徑和用于落纖14的中心至中心落纖間距將取決于具體的應(yīng)用、薄片12的厚度以及其它因素，并且因此在圖1中沒有按比例表示。 根據(jù)已知的實(shí)踐，落纖14的單獨(dú)的纖維16可涂覆有一種或更多種脫離劑，以形成脫黏纖維涂層(未顯示)，其允許在基質(zhì)18和落纖14以及它們的單獨(dú)的纖維16之間的有限且受控的滑動(dòng)。用于纖維涂層的合適的材料包括氮化硼(BN)，摻硅的BN、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)、 碳化鉿(HfC)、氮化鉿(HfN)、碳化鋯(ZrC)、氮化鋯(ZrN)、碳化鉭(TaC)、氮化鉭(TaN)和它們的混合物。優(yōu)選的纖維涂層可包括這些復(fù)合物中的一種或更多種的多個(gè)層。當(dāng)在構(gòu)件10中形成裂紋時(shí)，橋接裂紋的纖維16用于將負(fù)載重新分配至相鄰的纖維16和基質(zhì)18的區(qū)域中， 因而抑制或至少減慢了裂紋的進(jìn)一步傳播。
[0039]如之前提到的，在制造構(gòu)件10期間，期望數(shù)量的預(yù)浸料坯疊放成形成層壓預(yù)制件， 其經(jīng)歷進(jìn)一步的處理，以產(chǎn)出構(gòu)件10。根據(jù)常規(guī)的實(shí)踐，此類預(yù)浸料坯可在單個(gè)操作中形成，例如，通過在將落纖16的連續(xù)絞線卷繞到滾筒上期間施加包含前體的漿料。各種包含前體的漿料可施加于連續(xù)的纖維和落纖，以生產(chǎn)預(yù)浸料坯。如果期望的基質(zhì)材料是SiC，則典型的漿料成分包含了陶瓷前體，如顆粒狀SiC、碳和/或其它含碳顆粒材料，以及有機(jī)黏結(jié)劑，如碳焦產(chǎn)樹脂，包括熱固性呋喃C4H40基樹脂、酚醛塑料、酚醛清漆、聚脂和環(huán)氧樹脂，但是其它前體和黏結(jié)劑也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。典型的漿料成分還可包含基質(zhì)18的附加陶瓷組分、用于輔助處理的有機(jī)樹脂(例如聚乙烯醇縮丁醛和聚甲基丙烯酸異丁酯)、溶劑(例如甲苯、MIBK、苯乙烷等)、以及用于黏結(jié)劑的增塑劑(例如苯二甲酸二丁酯)。
[0040]在卷繞操作之后，可允許漿料部分地干燥，并且從滾筒除去所得的預(yù)浸料坯，與其它帶疊放在一起，并且接著在經(jīng)受升高的壓力和溫度時(shí)進(jìn)行壓實(shí)和硬化(如果合適的話)， 以形成硬化的層壓預(yù)制件。接著在真空中或在惰性氣氛中加熱層壓預(yù)制件，以使黏結(jié)劑分解，并且產(chǎn)出剛性但多孔的預(yù)制件，其包括落纖14(或其它纖維增強(qiáng)材料)、陶瓷基質(zhì)18,以及孔隙和空隙(圖1中未顯示)。
[0041]以下處理技術(shù)意圖通過減少或完全消除CMC物品內(nèi)的孔隙和空隙而促進(jìn)由上述類型的處理步驟生產(chǎn)的CMC物品(例如圖1的構(gòu)件10)的機(jī)械特性。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，減少的孔隙含量可通過致密化工藝來完成，其包括至少一個(gè)在多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件上執(zhí)行的熔化滲透(MI)步驟。例如，熔化滲透步驟可利用毛細(xì)潤濕力來以合適的填充材料填充孔隙和空隙，例如元素硅、低熔點(diǎn)的硅合金和/或任何其它材料，其能夠形成期望的材料，該期望的材料將形成用于構(gòu)件10的基質(zhì)18的一部分，其非限制性的示例包括碳化硅和氮化硅。如本領(lǐng)域中已知的，熔化滲透工藝特別良好地適用于在其中層壓預(yù)制件由漿料形成的情形中使用，該層壓預(yù)制件在點(diǎn)燃時(shí)導(dǎo)致點(diǎn)燃的多孔的預(yù)制件，其包含優(yōu)選能夠與填充材料(例如熔化的硅)反應(yīng)的碳或含碳渣滓，以形成期望的陶瓷材料(例如碳化硅)。
[0042]在圖1中所示的構(gòu)件10的制造中，熔化滲透大體上需要在真空中加熱多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和填充材料至峰值溫度，其足以熔化填充材料，從而產(chǎn)出接觸點(diǎn)燃的預(yù)制件的熔化的填充材料。在填充材料被熔化時(shí)，毛細(xì)潤濕力鼓勵(lì)熔化的填充材料滲透點(diǎn)燃的預(yù)制件。 用于該步驟的加熱速率和合適的峰值溫度將取決于具體的填充材料，其中如果填充材料是元素硅，則峰值溫度的非限制性示例是大約1420 °C或更高。典型的真空水平低于大約0.01 大氣壓(7.6托)，例如大約0.1至大約2.5托，其中特別的非限制性示例是1.0托，但是特別合適的真空水平可取決于熔化的填充材料的流動(dòng)特征而變化。熔化滲透工藝可在任何合適的真空爐中執(zhí)行。
[0043]在點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的完全孔隙滲透可被預(yù)制件內(nèi)的毛孔和空隙的曲折網(wǎng)絡(luò)抑制， 結(jié)果熔化的填充材料非?？赡苤皇遣糠值靥畛淞嗣缀涂障丁０竺缀驮S多較細(xì)毛孔的預(yù)制件具有特別的處理缺點(diǎn)，因?yàn)檩^大毛孔比較細(xì)毛孔具有減小的毛細(xì)填充的傾向性。 另外，在熔化滲透工藝期間由于可在填充材料的熔點(diǎn)之上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，附加的孔隙可形成在點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)。例如元素硅填充材料可引起與現(xiàn)有的陶瓷基質(zhì)或預(yù)制件的其它組分一起發(fā)生的氣體-產(chǎn)生的反應(yīng)，在空隙內(nèi)生成局部壓力，其可高于真空爐內(nèi)的壓力。空隙內(nèi)的升高的壓力傾向于減小通過熔化的填充材料的毛細(xì)潤濕效應(yīng)，并且進(jìn)一步導(dǎo)致點(diǎn)燃的預(yù)制件的不完全的滲透。作為致密化工藝的優(yōu)選方面，當(dāng)熔化填充材料在毛孔和空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的熔化的填充材料經(jīng)受從預(yù)制件外部施加的增加的壓力， 以促進(jìn)毛孔和空隙利用熔化的填充材料的進(jìn)一步填充。雖然不希望堅(jiān)持任何特別的理論， 但是相信增加的壓力還可具有中斷和潛在停止預(yù)制件內(nèi)的氣體-生產(chǎn)的反應(yīng)的有益效果， 從而允許氣態(tài)種類冷凝，以在預(yù)制件的毛孔和空隙內(nèi)形成固相。作為非限制性示例，如果填充材料是元素硅或硅合金，則高溫和低壓在熔化滲透期間可導(dǎo)致S1的形成，其被認(rèn)為在保持高滲透溫度的同時(shí)將隨著壓力的增加而冷凝成Si02。合適的增加的壓力被認(rèn)為是至少 200托，例如大約300托至大約3800托，其中特別的非限制性示例是大約一個(gè)大氣壓(大約 760托)。用于將增加的壓力施加于預(yù)制件的氣體將典型地為那些不與熔化的填充材料起應(yīng)的氣體，例如氮?dú)?，如果填充材料是元素硅。壓力的增加?yōu)選在例如大約150托每秒或更大的速率下迅速地發(fā)生，并且優(yōu)選發(fā)生在時(shí)間段的端部附近，在此期間，填充材料處于熔化狀態(tài)并且與多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件接觸。
[0044]當(dāng)點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的熔化的填充材料保持經(jīng)受增加的壓力，或至少優(yōu)選超過 300托的壓力時(shí)，點(diǎn)燃的預(yù)制件從峰值溫度冷卻至填充材料的凝固點(diǎn)處或以下的溫度，從而使熔化的填充材料在孔隙和空隙內(nèi)固化，并產(chǎn)出CMC物品，例如類似于圖1中表示的構(gòu)件10。 冷卻可在任何合適的速率下執(zhí)行。
[0045]在導(dǎo)致本發(fā)明的研究期間，制造了試樣，其包括帶孔和不帶孔的層片的組合。層片由參照?qǐng)D1所述的類型的單向帶形成。層片在面積上是大約3x3英寸(大約7.6x7.6cm)，并且在厚度上是大約0.008英寸(大約0.2mm)。某些層片被進(jìn)一步處理，以具有圖2中所表示的圖案中的通孔。通孔在直徑上為大約一半英寸(大約1.3cm)。接著穿孔和未穿孔的層片疊放成生產(chǎn)具有以下構(gòu)造的層壓預(yù)制件:六個(gè)未穿孔層片、三個(gè)穿孔層片、四個(gè)未穿孔層片、六個(gè)穿孔層片、四個(gè)未穿孔層片、三個(gè)穿孔層片和六個(gè)未穿孔層片。在經(jīng)歷熔化滲透之前，層壓預(yù)制件經(jīng)歷了如壓實(shí)和硬化的處理。通過使預(yù)制件的溫度在大約0.8托的真空水平處在真空爐中升高至大約1435°C的峰值溫度，所有預(yù)制件利用熔化的硅熔化滲透。指定為基線預(yù)制件的預(yù)制件中的一些在這些條件下保持達(dá)大約90分鐘的持續(xù)時(shí)間，在此之后，允許熔化滲透的預(yù)制件在保持真空的同時(shí)冷卻至大約1100 °C的溫度，使得滲透的熔化的硅在預(yù)制件保持經(jīng)受真空的同時(shí)固化。被指定為實(shí)驗(yàn)的預(yù)制件的其它預(yù)制件在這些條件下保持達(dá)大約 90分鐘的持續(xù)時(shí)間，在此之后在預(yù)制件保持在大約1435 °C下的同時(shí)通過快速地用氮回填爐而將爐內(nèi)的壓力增加至大約一個(gè)大氣壓(大約760托)。接著，在保持壓力的同時(shí)允許這些熔化滲透的預(yù)制件冷卻至大約1100 °C的溫度，使得滲透的熔化的硅在實(shí)驗(yàn)的預(yù)制件經(jīng)受一個(gè)大氣壓的同時(shí)固化。
[0046]圖3和圖4分別包含通過上述兩種不同的滲透技術(shù)中的一種生產(chǎn)的基線預(yù)制件和實(shí)驗(yàn)的熔化滲透的預(yù)制件的傳輸紅外線(IR)熱擴(kuò)散率圖像。圖3是熔化滲透的基線預(yù)制件的圖像，其通過在經(jīng)受0.8托真空的同時(shí)固化滲透的熔化的硅而產(chǎn)生，而圖4是熔化滲透的實(shí)驗(yàn)的預(yù)制件的圖像，其通過在經(jīng)受一個(gè)大氣壓的同時(shí)固化滲透的熔化的硅而產(chǎn)生。如從圖3和圖4明顯的，與基線預(yù)制件相比，在填充材料固化之前施加增加的壓力導(dǎo)致通過熔化的硅的更完全的滲透，從而完全填充了實(shí)驗(yàn)的預(yù)制件內(nèi)的毛孔。圖3和圖4中可見的空隙區(qū)域的隨后拋光區(qū)段的金相學(xué)證實(shí)，圖4的實(shí)驗(yàn)的預(yù)制件的空隙完全填充有硅，而圖3的基線預(yù)制件中的空隙沒有。[〇〇47]雖然已經(jīng)根據(jù)特別實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是顯而易見的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員可采用其它形式。例如，上面提到的工藝中所使用的參數(shù)和材料可不同于所述的那些，并且可使用除了提到的那些之外的附加工藝。還應(yīng)當(dāng)理解，上面采用的措辭和術(shù)語出于公開實(shí)施例的目的，并且不必用于限制本發(fā)明的范圍。最后，雖然所附權(quán)利要求陳述了據(jù)信與本發(fā)明相關(guān)聯(lián)的某些方面，如上面論述的研究指出的，但是它們不必用于限制本發(fā)明的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于生產(chǎn)CMC物品(10)的工藝，所述工藝包括:生產(chǎn)單向的預(yù)浸料坯(12)，其包括漿料和纖維增強(qiáng)材料(14);將所述預(yù)浸料坯(12)堆疊成形成預(yù)制件；點(diǎn)燃所述預(yù)制件，以產(chǎn)出多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，其包括所述纖維增強(qiáng)材料(14)、陶瓷基 質(zhì)材料(18)和所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的空隙;并且接著通過以下使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件致密:加熱所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和填充材料，以熔化所述填充材料，并且從而產(chǎn)出熔化 的填充材料，并且在所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件的空隙內(nèi)產(chǎn)生真空，以造成所述熔化的填充 材料滲透所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件，并且利用所述熔化的填充材料部分地填充所述空隙；當(dāng)所述熔化的填充材料在所述空隙內(nèi)保持熔化時(shí)，使所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中 的所述熔化的填充材料經(jīng)受增加的壓力，以利用所述熔化的填充材料進(jìn)一步填充所述空 隙；以及接著當(dāng)所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料保持經(jīng)受所述增加的壓力 時(shí)，對(duì)所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件和其中的所述熔化的填充材料進(jìn)行冷卻，以使所述熔化的 填充材料在所述空隙內(nèi)固化，并且產(chǎn)出CMC物品(10)，其包括所述纖維增強(qiáng)材料(14)、所述 陶瓷基質(zhì)材料(18)和所述空隙內(nèi)的所述填充材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征在于，所述漿料包括一種或更多種有機(jī)黏結(jié)劑， 其在所述點(diǎn)燃步驟期間熱分解，以形成所述空隙中的至少一些。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征在于，所述空隙中的至少一些包括在所述預(yù) 浸料坯(12)之間的層片間隙，所述預(yù)浸料坯(12)形成了所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述空隙中的至少一些包 括所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件內(nèi)的不完全壓實(shí)區(qū)域。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述多孔的點(diǎn)燃的預(yù)制件 和所述熔化的填充材料所經(jīng)受的增加的壓力利用氮?dú)馐┘印?.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述增加的壓力是大約一 個(gè)大氣壓。7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述填充材料為元素硅和 低熔點(diǎn)的硅合金中的至少一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述CMC物品(10)是含硅的 CMC物品。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述纖維增強(qiáng)材料(14)包 括碳化硅。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的工藝，其特征在于，所述陶瓷基質(zhì)材料(18)包 括碳化娃。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK105985113SQ201510113451
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年3月16日
【發(fā)明人】P.E.格雷
【申請(qǐng)人】通用電氣公司